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对狭义相对论发起新一轮全方位进攻

2014-07-18  物理网文

对狭义相对论发起新一轮全方位进攻

费邦镜

http://blog.sina.com.cn/feibangjing

摘   

本文首先从三个方面破除了对狭义相对论的迷信。接着指出物理学的“原理”、“公理”、“约定”都无权躲避实验的验证。而要验证“光速不变”,校钟方法至关重要,本文在指出爱因斯坦校钟法的错误的同时,提出了不含逻辑循环的“中垂线校钟法”。正是“中垂线校钟法”,掀翻了爱因斯坦火车,否定了“同时的相对性”

本文用“引力场就是以太”的假设,自然、简明、协调地解释了迈克尔孙-莫雷实验、斐佐实验、光行差现象、洛奇实验,驱散了开尔文所指的那朵物理学上空的乌云,让光的传播有了一个可靠的绝对参考系。本文又用“引力场就是绝对空间”的假设,把牛顿和马赫对“水桶实验”的不同观点协调、统一起来了,让牛顿力学也有了一个可靠的绝对参考系,牛顿力学再也不是“悬在半空中”、“筑在沙堆上”的学说了。

麦克斯韦电磁理论和牛顿力学居然拥有了同一个绝对参考系,这就与相对性原理发生了严重抵触。本文用铁一样的事实,否定了相对性原理。并用“引力场就是绝对惯性系”的假设,自然、圆满地解释了一些悬疑问题。

欢迎拍砖,更期待增援和掌声。

 

 

笔者愚钝,琢磨狭义相对论四十余载,依然是一肚子狐疑。曾屡次挑战,均无功而返。近潜心长考,似有突破。现重整旗鼓,对狭义相对论发起新一轮全方位进攻。

 

一、      难道狭义相对论会不隐含缺陷?

狭义相对论是一门难学、难懂、难以接受的理论,这已是公认的事实。

狭义相对论中有许多奇异的思想,例如“同时是相对的,对一个观察者来说是同时发生的两个事件,对另一个观察者来说却可以是不同时的”;又如“作为基本量的长度和时间本身都是相对的,如果不先选定所在的惯性系是无法确认的,而尚未确认的这两个量的函数——光速竟然是绝对的”,等等,这些都与我们固有的观念发生极大的抵触,让人非常难以接受。

一般都分析说这是“由于人们的思想长期受到传统概念的束缚,一时难以接受崭新的时空观”所致。

然而,事实并非如此。

例如,创建了“电子论”和“洛伦兹变换”的荷兰物理学家洛伦兹,“同相对论朝夕相处20年,但始终未能真正理解相对论,他直到去世,都不肯抛弃静止以太与绝对同时性的传统观念。”[1]

又如,早于爱因斯坦提出光速不变公设,并在“1904年就十分清楚地把相对性原理从力学现象扩大到各种物理现象”的法国数学家、物理学家彭加勒,“他也曾走到了相对论的门口”,“但他坚持以太论”,“致死都未发表过赞同相对论的言论”。[2]

再如,敢于挑战牛顿,并被爱因斯坦尊称为相对论先驱者的奥地利物理学家马赫,“断然否认自己的思想与相对论一致,明确反对爱因斯坦的相对论”。[3]

显然,上述这三位都是最不受传统概念束缚、最富有创新精神的优秀科学家,如果说他们一时受到传统概念的束缚,无法创建狭义相对论,倒也说得过去,但是,在狭义相对论被创建起来之后,他们依然长期学不懂、不接受,就显然不是受到传统概念束缚的原因。

长期不接受狭义相对论的并非仅此三位,该理论自1905年创立后相当一段时间,一直受到世界主流物理学界的冷遇、怀疑甚至反对,“只是到了1919年,爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实,他成为公众瞩目的人物,狭义相对论才开始受到应有的重视。”但这也仅仅是开始受到重视而已,1921年爱因斯坦获得了诺贝尔物理奖,但“获奖的原因不是基于相对论”[4],可见当时的物理学界普遍不接受相对论。如此众多的物理学家长期不接受狭义相对论,仅仅是因为一时难以接受崭新的时空观吗?

如果说观念的改变不是一朝一夕之事,那么经过100多年的积淀,崭新的时空观早就不再崭新,狭义相对论早就应该易于被人接受了,然而很不幸,目前的局面正如北京师范大学物理系教授 赵峥先生说的那样:“老师和同学往往觉得理解上非常困难。对于同学提出的五花八门的问题,老师感到难以招架。许多中学老师干脆略去课本中的相对论部分……大学老师无法略去不讲,于是下了很大工夫去钻研,但许多人仍感到底气不足……”[5];互联网上更有专门挑战相对论的网站及论坛,质疑声不断,发起挑战的既有学生、教师、业余物理爱好者、专业物理工作者,也不乏资深的教授、物理学家……。这种局面就更不是“一时难以接受崭新的时空观”所能解释的。

笔者信奉“大道至简”,如果狭义相对论本身不隐含缺陷,绝不会在创立了100多年之后依然如此让众人难以接受。

 

二、      不要轻信相对论教材上的一些实验结论

不少编写相对论教材的作者都是人云亦云、趋炎附势的。

例如,大多数教材都把宇宙线μ子寿命的测量实验,作为狭义相对论“时间膨胀”效应最直接的铁证,美国马萨诸塞州牛顿城教育发展中心还把该实验摄制成科教电影,言之凿凿地说这个实验清楚地表明飞行μ子的寿命因其高速飞行而延长了。[6]

而事实并非如此:一般认为,来自外层空间的宇宙线轰击地球大气产生了大量的μ子,这些μ子具有很宽的能量范围,飞行速度有大有小,高能量的μ子速度非常接近光速c,可大于0.9954 c。μ子寿命很短暂,其平均寿命是恒定的。

1963年,D.H.FrischJ.H.Smith在新罕布什尔州的华盛顿山山顶(海拔1910),用闪烁器检测铅直向下而速度在0.99500.9954c之间的μ子数目,结果检测到每小时平均有563±10个,然后下到离海平面3处,用闪烁器检测相同速度的μ子数目,结果检测到每小时平均有408±9个。如果高速飞行μ子的寿命与静止时相同的话,可以预期,飞行了1907后,在海平面附近的μ子数目应不到35个,而当时实际测量却有408个。

笔者认为,根据宇宙线μ子寿命的测量实验,根本不能断言时间膨胀了

因为我们没法认定,在海平面检测到的408个μ子,就是山顶上563个μ子衰变后存活下来的。在山顶上检测到的,并不包括山顶上的全部μ子,而仅仅是穿过闪烁器的μ子中速度在0.99500.9954c之间的μ子。而海平面的408个μ子,可能由四部分组成,第一部分是由563个μ子衰变后存活下来的;第二部分是山顶那些速度大于0.9954c的μ子,这些μ子尽管没能在山顶上被闪烁器检测到,但它们在向海平面运动的过程中,能量会被大气逐渐吸收,速度会慢下来,有一部分在到达海平面时速度会降到0.99500.9954c之间,就会被检测到;第三部分是山顶闪烁器周边漏检的μ子,进入到海平面闪烁器内;第四部分是宇宙线在山顶之下轰击大气新产生的。所以我们怎么可以用这408个μ子来推算那563个μ子的寿命呢?

美国孟五政先生精辟指出:“在山顶与山脚测量宇宙线中的μ子寿命,其方法简陋而不精确……该实验无法确定这些μ 子何时所生,也无法防止μ子的逃逸和加入此观察通道。

又如,有的狭义相对论读物中说:“光速不变原理已为实验所证实”。

而事实并非如此:至今各种检验光速不变性的实验都只证明了回路光速的不变性,并没有证明单向光速的不变性。因此,通常所说的‘光速不变原理已为实验所证实’是不确切的。[7]

在相对论教材中,我们不时会碰到一些“大臣”,在那里赞赏“皇帝的新衣”。

 

三、      不要因为相对论的有些预言“能应验”就迷信它

一个好的理论,肯定可以作出“能应验”的预言,但是,作出过“能应验”预言的理论,不一定是好的理论

先作一点物理学史的回顾:“公元150年前后,托勒密把当时已发展得异常之好的天文学知识(精度惊人的观测数据)总结成宇宙的地心体系。且不管人们的宇宙观如何,但就对日月恒星等的所有原始观测而论,地球确是中心。从这个特殊的角度看,行星的运动在天球上的视轨迹是相当复杂的。最引人注目的特征是,在恒星的背景上行星有时要逆行。托勒密的体系把每个行星的运动描绘成沿一个称为本轮的小圆回转,而本轮的中心又循着以地球为中心的一个称为均轮的大圆运行。这就解释了行星的逆行问题。……为了使理论体系与相当精确的天文观测数据吻合,托勒密在本轮上再加一层又一层的本轮。尽管这个体系变得非常复杂,它却能给出行星以前的轨迹,并能相当好地预言它们未来的位置。于是,托勒密体系一代代传下去,直到15世纪,未发生重大变化。[8]

现在谁都知道,这个统治了天文学一千三百多年的,既“能给出行星以前的轨迹,并能相当好地预言它们未来的位置”的托勒密地心体系,不是一个好的理论。它早就被更简明、更合理的哥白尼日心体系所替代。

所以,我们今天也不要因为狭义相对论的有些预言“能应验”就迷信它。

 

四、      物理学的“原理”、“公理”、“约定”都无权躲避实验的验证

狭义相对论的光速不变原理是作为“公理”提出来的,而“公理”则是逻辑推理无法企及的,但是,这并不意味着“公理”可以躲进防空洞,可以免于“由实验来验证”。[9]

正如朱鋐雄先生指出的那样:“与欧几里得几何学的公理不同的是,与几何学相比,物理学有着附加的约束:它必须与真实世界相符。” [10] 所以无论把“光速不变原理”改称为“公理”也好,“约定”也罢,都同样需要接受实验的验证!这是物理学的公理比数学的公理更须严格之处。

爱因斯坦强调“光速不变原理”仅是一个“约定”,这无非是企图躲避实验的验证,企图回避更深的追究。这正是狭义相对论难以让人信服的关键所在。

我们必须对光速不变原理进行严格的实验验证。

我们知道:“爱因斯坦光速不变原理中的‘光速’指的是单向光速,即光信号沿任意给定方向的传播速度。”[11]

对于光速不变原理,“可以分以下几个方面进行检验:⑴ 光速是否与光源的运动速度无关;⑵ 各种不同频率的光波的传播速度是否相同;⑶ 光速是否各向同性;等等。[11]

其中,为了检验光速是否各向同性,必须直接测定各个方向上单向光速的具体数值。而为了测定单向光速,除了必须确定起点和终点的间隔距离之外,还必须把分别安置在起点和终点的异地时钟校准同步,以确定光走过这段距离的间隔时间。显然,选用合理的校钟方法是准确测定单向光速的前提,这对于狭义相对论来说尤为重要

 

五、      爱因斯坦的校钟法含有不能被容忍的逻辑循环

异地时钟校准同步的方法有很多种,但爱因斯坦只给我们优选了两种校钟方法。

一种就是端点校钟法:“当某一时钟m指着时刻m时,从这只时钟发出光线,在真空中通过距离mn到时钟n;当光线遇着时钟n的时刻,使时钟n对准到时刻n=m +mn/c。” [12]

注意:这里时钟n的时刻n竟然是单向光速c的函数,也就是说,为了进行校钟,必须先测定单向光速,而测定单向光速又必须先进行校钟,这是不能被容忍的逻辑循环。

另一种就是中点校钟法:“我们必须在这两个钟的距离的中点处……观察它们。如果信号是同时发出的,它们也同时到达中点处。假使从中点上所观察到的两个好钟一直指示着相同的时间,那么它们便能很适宜于来指示距离很远的两点上的时间。”[13]

很显然,中点校钟法是以光速各向同性为前提的,而为了确认这个前提,就必须先测定单向光速,而测定单向光速又必须先校钟,这同样是不能被容忍的逻辑循环。

总之,“以相对论为核心的时空理论,从原则上否定了测量单程光速的可能性”,[14] 换言之,用爱因斯坦校钟法,单向光速是不可测量的,光速各向同性是永远无法验证的张元仲先生在《狭义相对论实验基础》一书中对此问题作了详尽而令人信服的分析,并有明确的结论:至今“各种检验光速不变性的实验都只证明了回路光速的不变性,并没有证明单向光速的不变性。因此,通常所说的‘光速不变原理已为实验所证实’是不确切的。”[15]

对于爱因斯坦校钟法,理应是放弃。但是,苦于找不到速度无限大的瞬时传播的信号,于是大多数人无奈地容忍了爱因斯坦的这种含有逻辑循环的校钟法。这就埋下了“狭义相对论时空观”的病根!!!

那么,在找不到速度无限大的瞬时传播信号的情况下,是否可以找到不含逻辑循环的校钟方法呢?笔者认为完全可以!

 

六、      一种比爱因斯坦更合理的中垂线校钟法,不含逻辑循环,切实可行

请看笔者设计的中垂线校钟法:在一惯性系中,AB为两只异地的同样的好钟,M为线段AB的中点,KMAB的中垂线,且K距离M足够足够远,我们在K处放置一个闪光信号发射器,那么光线KAKB就可以近似认为是“平行”的、“同向”的,无论“光速各向同性”是否成立,几乎“同向”的光线KAKB速度当然是相等的,又线段KA=KB,则从K每次发出的闪光信号都一定会“同时”到达钟A和钟B,依此,我们就可以把钟A和钟B校准同步。

如果光速各向不同性,则爱因斯坦校钟法绝对就是错误的,而中垂线校钟法虽也有误差,但却可以采用“把信号发射器挪得更远”的方法,来不断提高校钟精度,直到满足需求。

我们当然也可以用中垂线校钟法把钟B和此惯性系中的另一只钟C校准同步。且因为AB同步,BC同步,所以AC亦同步!如法炮制,我们可以把此惯性系的每一空间点上的好钟全部校准同步,而无论这些钟相距如何遥远。

显然,中垂线校钟法较之爱因斯坦校钟法,可以省去一个可疑的前提。根据公认的奥卡姆剃刀原则,这个前提就应该被剃去。中垂线校钟法不含逻辑循环,且切实可行,当然更合理、更科学。

采用中垂线校钟法,单向光速不再是不可测的,光速各向同性才有可能得到验证,才能判断光速不变假设究竟能否上升为公理

找到了更合理的中垂线校钟法,难道爱因斯坦校钟法还有被容忍的理由吗?

 

七、      轻松掀翻爱因斯坦火车

“在相对论的第一篇论文发表之前很久,爱因斯坦就……已经抓住了‘相对论’的基础。那么他为什么一直没有建立起‘相对论’呢?……他回忆……当时……正被一个问题卡住。这个问题就是‘光速不变性’似乎与力学中的速度叠加法则相矛盾。”[16] “在经过了一年时间的研究以后,爱因斯坦终于领悟到,问题正出在人们最不容易怀疑的一个基本思想观念上,即同时性的问题上。”[17] 在牛顿力学中,时间是绝对的,因而同时也是绝对的:在一个惯性系中同时发生的两个事件,在所有惯性系中去看都是同时发生的。这和我们几乎是与生俱来的“同时”概念完全一致,而爱因斯坦却认为,同时的绝对性必须要放弃。

“同时的相对性正是爱因斯坦建立狭义相对论时空观的突破点。”[18]  也是大家接受狭义相对论的最大障碍。那么,如何才能把同时的绝对性从大家根深蒂固的潜意识中铲除呢?如何才能攻占同时的相对性这个突破点呢?爱因斯坦很聪明地设计出一个绝妙的火车上的思想实验[19],用以强力粉碎同时的绝对性。这列著名的火车,现在被大家称为爱因斯坦火车

这个思想实验对于狭义相对论是有决定意义的100多年来,它始终是破除绝对同时观的最强有力武器,凡是涉及狭义相对论的读物,几乎没有不采用这个思想实验的。

但要真正读懂这一实验是非常伤脑筋的。大多数人都是“似懂非懂”、“时懂时不懂”地接受了“同时性是相对的”这一结论。

那么,有什么简明的方法可以对该实验的结论进行判定呢?建议大家不要被爱因斯坦牵着鼻子,到该火车上去玩文字游戏。我们可以按以下的四步,对其进行明快的判定:

1、该思想实验相当于是在定义两个不同惯性系的同时性,这比定义同一惯性系的同时性要复杂得多。

2、我们可以先简后繁,不妨先搞明白,爱因斯坦是如何定义同一惯性系的同时性的。刘辽先生指出:在同一惯性系内,“定义两个异地事件的同时性就相当于调整两个异地时钟的同步。”[20] 显然,爱因斯坦对同一惯性系的同时性定义就相当于他的校钟法。

3、根据上两章的论述,笔者已雄辩地否定了爱因斯坦校钟法,并设计出不含逻辑循环、切实可行的中垂线校钟法,这就相当于彻底否定了爱因斯坦对同一惯性系的同时性定义。

4、既然爱因斯坦的同时性定义在同一惯性系中都无法立足,那么,用爱因斯坦这种同时性定义对两个不同惯性系的同时性进行推断,其结论显然也是错误的。

由上述四步,就可以轻松掀翻爱因斯坦火车。

可见,爱因斯坦校钟法正是“相对时空观”的病根。

若“同时性是相对的”这一结论不能成立,就意味着爱因斯坦建立狭义相对论时空观的 “突破点”被否定,那么,狭义相对论还能建立得起来吗?!

现在我们有必要返回到导致发现狭义相对论的两个起因之一 ——“对以太的探寻”

 

八、      给以太招魂

1865年,麦克斯韦成功地得出了真空中的电磁场方程,并指出光本身也是一种电磁波,从此,才有了光传播的真正理论,光的波动理论似乎得到了最终的证明。根据对机械波的经验,人们自然地认为,光既然是波,其传播也一定需要媒质,此媒质大家称其为以太。

我们都坚信,每一个关于运动的陈述都包含着一个物理的参考系,我们只能相对于其他物体来量度位移和速度。而从麦克斯韦方程可解出,光波在真空中沿各个方向的传播速度都为恒量c。那么,这一恒定的速度是相对于何物来测量的呢?其必须要有一个物理的参考系。正如声速是相对于传播声音的媒质而言一样,光速c理应是相对于传播光的以太而言的。以麦克斯韦、洛伦兹为首的大多数物理学家都持这样的观点。[21]

然而,以太在哪儿呢?以太无影无踪,难以捉摸。物理学家们对以太的性质进行了各种各样的猜测,但是都无法自圆其说。

当时大家都认为,遥远的星光能传播到地球,宇宙中一定充满着以太,而地球则在以太海洋中“漂移”,在地球上完全应该可以检测出这一漂移速度。当精确的迈克尔孙-莫雷实验 [22] 宣布这一漂移速度在一年四季都几乎为零之后,大家都膛目结舌。这就是开尔文勋爵在1900年英国皇家学会迎接新世纪的庆祝会上所指的物理学上空的两朵乌云之一。

如果说地球是静止在以太中,这就等于是让大家从普遍已认可的哥白尼“日心说”倒退回托勒密“地心说”,大家无法接受;如果说地球是完全裹携着身边的以太一起运动,那么,天文学上的布拉德雷光行差观测 [22] 似乎表明,以太不可能被地球带动。此外,斐佐流水实验 [22] 则证明,以太被流体有所带动,而又没完全带动;洛奇转盘实验[23] 却表明运动介质完全不会带动以太。这些实验的结论相互矛盾。十九世纪末叶的物理学家们绞尽脑汁也无法调和这些矛盾。

爱因斯坦另辟蹊径,断然判处以太死刑,并以“同时的相对性”作为突破点,以光速不变原理和相对性原理作为两条公理,于1905年创建了狭义相对论。这表面看来似乎解决了上述矛盾,但一百多年来却遭到不断的质疑。

笔者认为,面对这些矛盾,其实另有一条很自然、很简明的出路。我们只要放弃“以太是传播光的弹性媒质”设想,放弃“全宇宙的以太是统一而均匀的”预期,而把“以太”理解为光传播的“特殊参考系”,并且假设“引力场就是以太”,上述这些矛盾都将化为乌有。

首先明确一下该假设中的概念:

甲、             本文所指的引力场是牛顿万有引力所产生的引力场,也称为以太。宇宙空间每一点的引力场都是由全宇宙每一个物体所产生的引力场叠加而成的,一般来说,宇宙空间各处的引力场强度是不均等的,全宇宙的以太不是统一的,不是均匀、平直的。

乙、             本文把大质量物体周边的引力场称为该物体的本征引力场。本征引力场完全随该大质量物体的质量中心而动。在本征引力场中,该大质量物体所产生的引力场占绝对优势。本征引力场也称为本征以太。

丙、             由甲、乙得到推论:相对于本征引力场,质量中心不发生移动的物质运动,不会改变本征引力场,所以也不会拖动本征以太

下面将依据“引力场就是以太”的假设来自然、轻松地化解上述矛盾。

既然引力场就是以太,那么地球当然是完全裹携着自己的本征引力场在公转轨道上运行的,而迈-莫实验则是在地球本征引力场内进行的,所以不管在哪个季节,不管是白天黑夜,也不管实验装置的方向如何转动,不同方向的光速都是相对于地球本征以太而言的,都是“相等的”,测试不到预期的“以太风”是当然的。

斐佐实验中的流水,无论是正向流,还是反向流,都不会改变光路中的引力场(因为质量分布没发生变化),所以,光路中的以太完全没有被流水拖动。“部分拖动”实质上是由于折射介质的运动所致,与以太并无关系。

对于布拉德雷光行差观测,一种普遍认可的观点认为,如果存在以太,只要以太完全不受地球运动的拖动,恒星光线在以太中垂直射向地球,而地球携带着望远镜以v = 30公里/秒的速度穿过以太运动,则望远镜镜筒必须倾斜一个α角,才能让恒星光线穿过望远镜到达观察者的眼睛,理论值应符合tgα= v/c,而实测值恰为α= 20.5〞,精准符合理论值,因此可断言,地球运动完全不拖动以太。

其实,这种观点是站不住脚的:如果地球运动完全不拖动以太,那么,太阳运动也就完全不会拖动以太,地球上望远镜在以太中的穿行速度是地球与太阳轨道速度的叠加,将远远大于30公里/秒,望远镜镜筒倾斜20.5〞是远远不够的。

斯托克斯把黏性流体运动理论用来解释光行差,“紧挨着地球的以太应当整个地同地球一起运行,围绕地球的以太云在地球沿轨道运动时为地球所完全裹携走。不过,这云的各层是以不同的速度在运行的:云层离开地球越远,它的速度就越小。”[24] 迈克尔孙和莫雷倾向于斯托克斯的这个“完全曳引假说”,但洛奇转盘实验证实:紧挨着钢盘的以太,完全没有被高速转动的钢盘带动,这一结果导致人们对斯托克斯的这个“完全曳引假说”失去了信心。

在斯托克斯的启发下,笔者用“引力场就是以太”的假设来解释光行差现象:

同太阳的本征引力场相比,地球的本征引力场是微弱的、小范围的,虽然地球完全带动着自己的本征以太,但离开地球不远处,它带动以太的能力已迅速减弱,恒星光线主要是在太阳本征以太中传播到地球的,从宏观上看,地球没有带动以太,只是在太阳本征以太中以30公里/秒的速度穿行(这情形与“点电荷”在电场中的运动有点类似),由此产生了光行差。这一效应,需要地球公转一周(即一年)我们才能观测到。特别需要指出,为什么我们观测到的光行差角不受太阳轨道速度(250公里/秒)的影响呢?其实,太阳绕银河系的轴公转,也会产生“光行差”,但是,太阳公转一周约需二亿五千万年,[25] 我们观察到的恒星光线几乎全年或几十年甚至几百年,都毫无变化地从太阳本征以太中传播过来,所以我们观测到的光行差现象感受不到太阳的轨道速度影响。

至于洛奇转盘实验中的大钢锯圆盘,无论多重,也无论怎样高速旋转,因为其质量中心并没移动,没有造成引力场发生变化,所以根本不会带动紧挨着钢盘的以太。因此,用洛奇转盘实验就无法否定笔者对光行差的解释,两者毫无矛盾。

至此,一定有人已经看出了问题:既然圆盘旋转不能带动以太,那么,地球自转时其质量中心也几乎没变动,应该也不会带动以太,迈-莫实验就应该测出以太风,而不应该是零结果。目光果然犀利。

其实,-莫实验并非真正零结果,“Jaseja等(1964)用氦-氖气体激光器做了迈克尔孙-莫雷实验……‘以太漂移’的上限是0.95公里/秒,在所有已完成的迈克尔孙-莫雷型的实验中这个上限是最小的。”[26] 也就是说,迈-莫实验只能否定大于0.95公里/秒的以太风,地球公转的以太风确实能被明确否定。但地球自转的最大线速度(赤道处)只有0.464公里/秒,高纬度的地方,线速度将更小,所以迈-莫实验无法否定地球的自转不产生以太风。

可以预言,如果能设计出更高精度的实验,终将会测出地球自转的以太风

一定立即有人指出,1972Cialdea做的两莱塞实验给出的“以太漂移”上限只有0.0009公里/秒,难道不能否定地球自转的以太风吗?这是对该实验结果的误解。其实,两莱塞实验只是“观察干涉条纹的周日和周年变化”[27],仅仅能证实以太风昼夜变化的差异不大于0.0009公里/秒,而非以太风的绝对值不大于0.0009公里/秒,所以其并不能证明地球的自转不产生以太风。还有转动圆盘的穆斯堡尔效应等实验,也属同一类型。

综上所述,“引力场就是以太”的假设,能自然、简明、协调地解释几乎所有的相关实验,并不会产生矛盾,开尔文所指的那朵乌云完全能够被驱散,看来复活以太是可以的

但事情远远没有如此简单:如果复活了以太,以太就是电磁理论的绝对参考系,光速c就仅仅是相对于以太而言的,而相对性原理则要求在所有惯性系中光速都为c,这就发生了严重抵触。这个抵触正是导致发现狭义相对论的两个起因之另一个

以洛伦兹为代表的“许多理论物理学家还是比较倾向于舍弃相对性原理”[28] ,但遭到彭加勒、爱因斯坦的否定。

爱因斯坦坚持相对性原理,舍弃以太,用自己创建的狭义相对论来化解经典理论中的一些困难,但一直以来都很难让人信服。

笔者认为相对性原理的确应该舍弃,本文将在稍后详细论述这一主张。

在此,先讨论另一个自然而然产生的问题:难道麦克斯韦电磁理论可以找到绝对参考系,而牛顿力学却找不到绝对参考系吗?

 

九、      牛顿力学赖以成立的“绝对空间”是可以找到的

牛顿力学常遭诟病,爱因斯坦指出:“全部经典力学就等于悬在半空中,因为我们不知道它属于哪个坐标系”[29] ,“我们有定律,但是不知它们归属于哪一个框架,因此整个物理学都好像是筑在沙堆上一样”[30]

“牛顿作为公理提出的三大运动定律必须在一个特定的……‘绝对惯性系’中才能成立。第一定律指出,物体具有保持静止或匀速直线运动状态的惯性,问题是怎样判定‘静止’?怎样判定‘匀速直线运动’?显然,在实际测量过程中离开一个特定的参考系是无法回答这些问题的。”[31]

“然而,牛顿力学的理论框架本身并不能明确给出什么是惯性参考系。牛顿完全了解自己理论中的这一薄弱环节,他的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间,用以判断各物体是处于静止、匀速运动,还是加速运动状态。”[32]

请特别注意,牛顿这里的“绝对空间”是指可以用来判定物体运动状态的特定参考系,也就是牛顿力学赖以成立的“绝对惯性系”

为了能感知自己引入的“绝对空间”,牛顿设计了一个著名的“水桶实验”:绳子上吊有一桶水,让桶做旋转运动。开始时水未被桶壁带动,桶转水不转,水面是一个平面。不久,水逐渐被桶壁带动而旋转,直到与桶以同样的角速度旋转,此时水面呈凹形。然后,让桶突然停转,水面仍保持凹形。

牛顿认为:“水面的形状与水和桶的相对转动无关。水面呈凹形是由于受到惯性离心力的结果。惯性离心力的出现……与绝对空间有关,惯性离心力产生于水对绝对空间的转动。……通过水桶实验,牛顿论证了绝对空间的存在。”[33]

然而,“绝对空间”在哪里呢?谁也不知道。“对此,牛顿自己和他同时代的最有批判眼光的人都是感到不安的。”[34]

牛顿的“绝对空间”观点受到莱布尼茨、贝克莱、马赫等人的批评,马赫认为根本就不存在绝对空间。爱因斯坦则认为,“牛顿引入绝对空间,对于建立他的力学体系是必要的”,“人们要想给力学以清晰的意义,在当时没有别的办法。[34]

可见“绝对空间”对牛顿力学至关重要,是必须的,不可或缺的。“绝对空间”就是牛顿力学赖以成立的“绝对惯性系”。

我们怎能容忍牛顿力学因为一时找不到“绝对空间”而成为“悬在半空中”、“筑在沙堆上”的学说呢?牛顿力学的惊人成功和巨大贡献是众所周知的,而且,至今仍在人们的生产、科学技术和生活中继续起着重要作用。即使在广义相对论如日中天的宇宙学领域,著名的理论物理学家霍金也承认,“我们在大部分实际情况下仍用牛顿理论,因为在我们通常处理的情形下,两者差别非常小。(牛顿理论的另一个巨大的优点在于,它比爱因斯坦理论容易处理得多!)”[35] 所以,我们应该继续全力寻找已被牛顿论证存在了的“绝对空间”

笔者认为,牛顿为这个特定参考系选取了一个特别不好的名称,非常容易让人产生误解,误以为“绝对空间”就是空无一物的虚空。不过,我们必须谅解牛顿,在他那个年代,这个特定参考系只能是空无一物。

但是如今,电磁场、引力场这一类非分子原子构成的、无形的特殊物质,就和我们“所坐的椅子一样的实在”(爱因斯坦语),我们寻找“绝对空间”应该比牛顿有更广阔的视野。

既然我们在电磁学中假设了“引力场就是以太”,而且非常成功,那么我们不妨在力学中假设:“引力场就是绝对空间”,“引力场就是绝对惯性系”

有了“引力场就是绝对空间”的假设,牛顿水桶实验中水面凹下的原因当然是水相对于引力场的转动,惯性离心力当然是产生于水相对于引力场的转动。

马赫否定牛顿“绝对空间”的理由是:“不存在绝对空间。转动不是绝对的,而是相对的。产生惯性离心力是水相对于全宇宙物质(遥远星系)转动的结果,……惯性起源于全宇宙所有物质施加的综合影响。”[36] 那么,马赫的“全宇宙物质”是通过什么作用于水的呢?难道不就是“引力场”吗?水桶周边的这个引力场难道不就是全宇宙物质所产生的引力场叠加而成的吗?“水对绝对空间的转动”难道不就是水对引力场的转动吗?牛顿只不过是一时说不出这个“绝对空间”究竟是什么罢了。马赫与牛顿的观点有什么本质区别呢?当然没有

我们先前已经看到,引力场让光的传播有了一个可靠的绝对参考系,驱散了物理学上空的一朵乌云。现在,引力场又把牛顿和马赫对于“水桶实验”的不同观点协调、统一起来了,让牛顿力学也有了一个可靠的绝对参考系,牛顿力学再也不是“悬在半空中”、“筑在沙堆上”的学说了。若牛顿地下有灵,一定会感到欣慰。

麦克斯韦电磁理论和牛顿力学居然会很奇妙地拥有同一个绝对参考系——引力场,这真是太和谐了。这可能就是本假设能够成立的好兆头。

如此,不仅电磁理论有了绝对参考系,连牛顿力学也有了绝对参考系(绝对惯性系),“绝对惯性系”与其他“惯性系”不再是平权的了。这意味着,相对性原理不仅仅不适用于电磁理论,也不适用于牛顿力学,相对性原理必须在电磁理论和牛顿力学中都舍弃。

对于如此的“浅薄”,大家一定不屑一顾。然而,舍弃相对性原理的理由确实是存在的

 

十、      相对性原理与客观事实不符,必须舍弃

爱因斯坦把伽利略相对性原理推广为狭义相对性原理:“如果K是惯性系,则相对于K作匀速运动而无转动的其他坐标K’也是惯性系;自然界定律对于所有惯性系都是一致的。”[37] 并把此原理作为狭义相对论的两条基本原理之一。

爱因斯坦进一步指出:假使有两个坐标系,相互作不等速运动,则力学定律不会在两者之中都是有效的‘好的’坐标系就是力学定律在其中有效的坐标系,称为惯性系。”[38]

然而,客观事实并非如此

首先,我们必须承认,力学定律在固定于地球的坐标系中是非常有效的,地球应该是一个惯性系。尽管有实验证明,地球不是一个十分精确的惯性系,但是,“只有在测量精度达到百万分之一时,我们才需要认真考虑与地球连在一起的参考系的加速性质。对于几乎所有的实际目的来说,地球都是一个足够好的惯性系。”[39] 毕竟,伽利略、牛顿等科学家,正是在地球实验室中,凭借几代人的大量观测和实验,进而归纳、总结出力学定律的。更关键的是,在狭义相对论中处于核心地位的,普适于所有惯性系的光速c,也是在地球上测得的。能说地球不是一个惯性系吗?

其次,我们知道,宇航员们已多次登陆月球,在那里走动、跳跃、进行自由落体实验等等,都没有出现违背牛顿定律的怪事,符合牛顿定律和麦克斯韦方程的月球车及各种电子仪器在月球上工作都非常正常。我们完全无法想象,在月球上会有同地球上不一样的力学定律和电磁学方程。显然,月球无疑也是一个很好的惯性系。

既然地球和月球都是惯性系,按照相对性原理,它们应该相互作匀速直线运动,然而,不幸的是,月球是绕着地球转动的

即使说地球和月球都算不上十分精确的惯性系,相互不一定作严格的匀速直线运动,但误差也不至于可以扩大到转动!

另外,爱因斯坦也承认:“经典力学对天体的实际运动的描述,所达到的精确度简直是惊人的。” [40] “关联于太阳的坐标系比关联于地球的坐标系更像一个惯性系”[41]可见,地球坐标系是一个惯性系,而太阳坐标系更是一个精度好于地球的惯性系。遗憾的是,地球也是绕着太阳转动的,难道我们能依据相对性原理来否定“太阳和地球都是惯性系”吗?

还有一个更重要的事实,就是爱因斯坦在广义相对论中论述等效原理时所提及的那个自由降落的升降机,爱因斯坦确认该升降机也是一个惯性系,确认牛顿定律在升降机内和在地面上一样有效。请问,自由降落升降机相对于地面惯性系,难道是在作匀速直线运动吗?!

上述三个客观事实,都直接否定了相对性原理

伽利略提出相对性原理的依据,主要就是在萨尔维亚蒂的大船里所做的那些实验:“使船以任何速度前进,只要运动是匀速的,也不忽左忽右地摇摆”,“你跳向船尾不会比跳向船头来得远”,“水滴将像先前一样,滴进下面的罐子,一滴也不会滴向船尾” …… [42]

这些实验,完全凭人体的感觉器官来进行判断,毫无精度可言,不足以成为原理。

根据笔者先前的假设,引力场才是牛顿力学赖以成立的“绝对惯性系”,那些处在本征引力场中,并相对于本征引力场作“低匀速直线运动”的坐标系,比如,萨尔维亚蒂的大船,都只是近似惯性系,它们与绝对惯性系并不等价,并不平权。在这些近似惯性系中,力学定律不是严格成立的。

而伽利略变换则是伽利略相对性原理的数学表达式,就是这些近似惯性系之间的一种近似坐标变换,不失为一种很实用的变换方法。仅此而已。

笔者认为,对于物理学定律来说,各天体的本征引力场,也就是各天体的“绝对惯性系”,才是真正等价、平权的。这些绝对惯性系之间的变换,既不能用伽利略变换,也不能用洛伦兹变换。

 

十一、   为什么地球、月球、太阳这些相互非匀速直线运动的天体都是惯性系

首先,我们可以确定地球是一个足够好的惯性系,那么,我们是否可以由地球是惯性系,而推断宇宙中类似的一般天体,如月球、太阳、火星、木星、木卫、北极星等等,也都是惯性系呢?回答是肯定的。如若不然,则意味着地球是宇宙中优越的天体,然而,地球的这种优越性早在500年之前就被哥白尼剥夺了。地球只是一颗很普通的天体,能在地球上成立的力学定律,更普遍地说是物理学定律,没有理由在其他类似天体上不成立。上一章所列举的客观事实已经证明这个推断是不错的。

上述“月球、太阳、火星…这些天体都是惯性系”这一推断,与笔者先前的“引力场就是绝对惯性系”假设非常吻合根据这一假设,在各天体各自的本征引力场中,也就是在各自的绝对惯性系中,牛顿力学当然是有效的,这些天体当然是惯性系这与天体本身如何运动,天体之间如何运动都毫无关系。

用“引力场就是绝对惯性系”的假设,可以简明、圆满地解答许多悬疑问题:

1、为什么在飞行姿态如此复杂多变、速度如此惊人的地球上,牛顿定律竟然能被发现?

这是因为无论地球如何运动,地球的本征引力场(绝对惯性系)是随地球而动的,在地球的绝对惯性系中,牛顿力学当然是有效的。可以料定,如果其他天体上住有比我们人类更高等的动物,他们一定早就发现了和牛顿定律一样的力学定律,尽管他们所住的天体对地球并不是作匀速直线运动。

2、为什么对于行星运动的描述,太阳坐标系比地球坐标系要好得多?

这也很简单,因为惯性系都是局域的,力学定律只有在各天体自己的本征引力场内才有效,行星并不在地球本征引力场内,而是在太阳本征引力场内,只有参照太阳坐标系,行星的运动才遵循力学定律,对于行星运动的描述,当然用太阳坐标系比地球坐标系要好得多。而地面物体的运动,是在地球本征引力场内,当然参照地球坐标系最好。

3、究竟是否存在一个真正的惯性系?

由于地球有自转,同时还绕着太阳公转,太阳又绕着银河系的中心公转,银河系又……,所以人们似乎无法找到一个真正的惯性系。“在牛顿理论中,惯性系被定义为相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系。狭义相对论不承认绝对空间,上述定义不再有效。”[43] 爱因斯坦失望地说:“究竟是否存在一个惯性系的问题,直到现在还无法决定。”[44]

其实,地球上的“绝对惯性系”就是地球的本征引力场,而地球自转不能带动本征引力场,所以固定在地面上的坐标系不是一个严格精确的惯性系,可以认为:固定在“停止了自转的地球”上的坐标系才是一个绝对精确的、真正的惯性系

4、为什么自由降落的升降机也是一个惯性系?

这是因为,地球本征引力场对升降机的引力,已完全用来产生了升降机的自由落体运动,可以认为这一引力已消耗殆尽,所以,自由降落升降机的本征引力场,主要是由升降机本身的质量产生的。升降机内的物体,在升降机的本征引力场内运动,也就是在升降机的绝对惯性系内运动,当然遵循牛顿定律。

这和“地球为什么是一个惯性系”几乎是同样的理由:太阳本征引力场对地球的引力,已完全用来产生了地球的绕日飞行运动,可以认为这一引力已消耗殆尽,所以,地球的本征引力场,主要是由地球本身的质量产生的。地球上的物体,在地球的本征引力场内运动,也就是在地球的绝对惯性系内运动,当然遵循牛顿定律。不仅是地球,一切自由飞行的天体(包括人造的),都是惯性系

这些悬疑能得到如此简明、圆满的解答,也从另一方面印证了“引力场就是绝对惯性系”的假设是能够成立的

 

十二、   总论

进攻狭义相对论,突破点是“爱因斯坦校钟法”

爱因斯坦校钟法是相对时空观的病根,一旦我们容忍了这一含有逻辑循环的校钟法,我们就会误登爱因斯坦火车,就不得不接受同时的相对性。

爱因斯坦校钟法也是“光速各向同性”用以躲避实验验证的防空洞。若否定了爱因斯坦校钟法,认可了中垂线校钟法,单向光速就不再是不可测的,就不能把“光速各向同性”说成是一个“约定”,从而躲避实验的验证。在真实的、高精度的单向光速数据出来之前,凭什么把“光速不变假设”升格为基本原理呢?!

本文中,我们已经清楚地看到,中垂线校钟法比爱因斯坦校钟法省去了一个可疑的前提条件,完全不含逻辑循环,不容置疑地击败了爱因斯坦校钟法,难道我们还要死抱着爱因斯坦校钟法不放吗?

进攻狭义相对论,成败关键则是“相对性原理

因为,我们目前还只能说“光速不变原理”靠不住,因为实验技术原因,我们还拿不出真实的、高精度的单向光速的数据。所以,要想彻底否定狭义相对论,关键是要否定 相对性原理”。

伽利略大船上的实验让我们很自然地接受了相对性原理,然而,“地球绕太阳转动”,“自由降落的升降机加速落向地面”,这些铁一样的事实,让笔者顿悟,真正的惯性系之间并非匀速直线运动,伽利略大船并非真正的惯性系,真正惯性系之间的变换既不能用伽利略变换,也不能用洛伦兹变换,我们没有一丝理由坚持相对性原理。

同时的相对性”被否定,“光速不变原理”靠不住,“相对性原理”不成立,狭义相对论哪有不倒之理?!

笔者相信,物理学势必将发生一场革命。

欢迎拍砖,更期待增援和掌声。

 

参考文献

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[42] 赵凯华、罗蔚茵,力学(第二版),高等教育出版社,201273

[43] 赵峥、刘文彪,广义相对论基础,清华大学出版社,20129

[44] A.爱因斯坦、L.英费尔德,物理学的进化,上海科学技术出版社,1979114

 

作者:上海金标软件有限公司,费邦镜,发表日期:2013/06/13 

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